地质环境对矿山开采边坡稳定性的影响及治理

根据自然资源部到 2025 年的统计资料，全国金属矿的平均采深已经达到 350m ，比 2020 年增长了 28%。通过对一座大型铁矿开采过程中的实测资料分析，发现在节理处，坡体的变形速度比未受影响的地段高3～5 倍。《"十四五"矿山安全生产规划》提出，到 2025 年，我国主要矿区的边坡网络监控覆盖度超过90%，边坡处治规范达标率不小于 85%，充分体现了矿区地质条件对边坡失稳的重大作用。

一、地质环境对矿山边坡稳定性的多维度影响

（一）岩体结构与边坡失稳的内在关联

岩体结构是矿区边坡稳定的关键地质因子，其形成机理是由结构面发展特性和岩石力学特性共同决定的。依据《工程岩体分级标准》（GB/T50218-2014），具有破碎结构性的岩石，在构造面距在 0.2m 以下时，其边坡稳定系数一般比未破碎的岩石减小 40%～60%。野外考察发现，若有两个或更多的主要构造面，其倾向在 度之间，易于发生楔状滑动。以某铁矿边坡为研究对象，其围岩 RQD （围岩综合品质指数）在50%以下时，其边坡失稳比例可达到 78%，而 RQD>75%时，其失稳程度只有 12%。应用于工程评估时，需要采用 3D Lidar 和 GPR 的组合检测方法来准确获得其产状、连续性及粗糙度等参数。利用 TrimbbleTX83D 激光雷达对坡面进行 0.5 度间距的点云数据，并利用 Cyclone 软件进行构造面蔷薇图形的绘制；利用 MALA （ （100Mhz） ）的高分辨率地震勘探技术，开展10 m 一次的高分辨率地震勘探，利用地震波的反射特性，对构造面内填充物质的属性进行判别。对于具有较弱构造面（如泥化夹层），需要在野外进行直接剪切实验，获得其剩余强度（ ⋅c>20kPa ，Φ>15°）。利用球极投影方法确定构造面交线与斜坡之间的对应关系，并在交线倾角与斜坡角度低于 30 度时，触发滑坡警报。

岩石的风化等级对其结构面的影响是显著的。已有的研究表明，在强风化带内，土体的抗剪强度可以达到 10°-4cm/s ，而在雨季，由于孔压的增加，边坡的抗滑能力会降低 35%左右（《岩石力学与工程学报》，2022 版）。针对该类斜坡，需要在 50 m 间隔布置 SOS 微地震传感器阵，利用声发射事件定位方法获取其渐近失效信息。在典型的工程实例中，如果微地震次数>500 个/周，能量系数>10^3 ，通常预示着可能会出现大面积滑坡，这个时候必须及时采用预应力锚索（设计荷载不少于 1000kN）或者采用削坡减载等手段。

（二）水文地质作用下的边坡动态响应

地下水流对斜坡的稳定具有物理和化学两方面的影响。内蒙古一座大型稀土矿山的实测资料显示，该矿区干季和雨季交替期间，斜坡地下水位出现 12 米左右的涨落，相应的孔压改变导致滑坡潜重增大了 23%。采用谐振压力计（ （0-1MPa，0.1 FS）对大坝进行了现场观测，结果表明，大坝蓄水后坝体的竖向应力降低了38%，抗剪应力提高了42%。此外，当含有 15%蒙脱土的断层泥受到地下水的影响时，其 C=45～8 kPa，Φ=24～11。为了防治洪水，在山坡上布设了一道三向的防洪体系，即在山坡上布设一条防洪渠（截面大小0.6*0.8 米），在斜坡上开一个泄水管（口径 110mm ，距离 3 米，深 15m），配合深井降水（降深 18m） ），使边坡稳定性系数提高 0.3。通过数值模拟，得出了在强降雨条件下，采用这种方法可以使渗水区水位下降5 米以上，并能防止因水力劈裂而引起的突然失稳[2]。

（三）风化卸荷带的渐进破坏机制

表层风化层在斜坡上产生了厚薄不一的卸荷区域，并表现出显著的时间和空间特性。福建一条典型的花岗质岩石（岩心取样率 92%）显示，该区域内存在 8-15 m 宽的强烈风化层，其纵向波速只有1200-1800m/s ，远小于正常岩石的 4500-5200 m/s 。通过布设多个位移传感器 （100mm 范围， 0.01mm） 观测，我们发现该区域的卸荷变形具有"冬至－夏季快速"的季节变化特征，年均位移量达到 14. 6mm 。5 微米高精度 CT （5 微米）观测发现，岩石中的微裂纹由新生岩石的 3 根/cm 3 增加到 27 根/cm 3。这样的损害积累会造成边坡表层"剥皮式"的破裂，根据观测资料，2022—2024 年的斜坡剥离量将达到650 立方米。通过喷射混凝土护坡（ （12cm ，钢筋网片 φ6S150）和深度锚固（600 kN），将地表变形速度降低到 2.1mm， /年，从而有效降低边坡的安全隐患。其中，利用红外测温技术（0.05℃）观测结果显示，该区域的卸荷区域比非开挖面高1.2-1.8° C，可为滑坡隐患区域的判定提供新的依据。

（四）构造应力场与采矿扰动的耦合效应

矿区内的地质环境和开采作用对边坡的稳定起着重要的作用。依据 GB/T 50218-2014 《工程岩体分级标准》，利用现场地应力试验，可以测定出该地区的结构应力场的幅值及方位，而我国一些大型金属矿田的最大水平应力一般为 10-25MPa 。矿山开采造成的地下空间破坏了矿山原来的应力均衡，引起了矿山的应力重新分配。基于FLAC3D 有限元程序，构建包含断层、节理等地质构造的精细 3D 建模，并通过逐步开挖来实现开采全过程的仿真，并对边坡关键区域的应力变形进行分析。某铜矿区的实测资料表明，当开采深度超过 200 米时，其坡脚的应力集中系数可以高达 2.53.0 ，极大地提高了该地区的稳定性。

原位检测方法的发展，为深入研究两者之间的相互作用机制开辟了一条新途径。基于 BOTDR 技术的矿山现场实测结果显示，该方法可以实现对矿山现场应变的精确测量，达到±5 微米的精度。利用微地震监测网，可准确确定矿山开采引起的岩石断裂部位，并对矿山进行 24 h 以上的大震发生频率提高 3-5 倍。为阐明"结构受力－采动干扰－边坡反应"耦合机理奠定理论依据。《金属非金属矿山安全规程》中对在结构复杂地区开采工程中提出了“地应力测试-数值模拟-原位观测”三方面的专门稳定性评价方法。工程实例证明，在对矿山进行预裂爆破、分段开采时，围岩受压变形的影响程度得到了较好地控制[3]。

二、地质环境对矿山边坡稳定性的有效治理路径

（一）基于岩体结构特性的差异化加固技术

边坡工程中，围岩的力学性能对边坡工程的设计和施工有着重要的影响。江西钨矿边坡整治项目，以三个主要构造面（产状为 145°∠52°、65°∠38°、285°∠25°）为研究对象，以"分类治理"为主要研究方法。采用3D 激光扫描技术（23 口， 680m） ），并利用已有的钻探资料（23 口，总计 680m） ），准确描绘出该构造面的空间分布，并在 145 度∠52 度的中斜构造面与斜坡构成 38 度的不良组合。利用应力分散式预应力锚杆（承载能力为 1000kN ，全长 25 米，间距 4 米）对其进行加固，并通过二次注浆技术，第一次注浆水灰比0.45，二次注浆压力控制在2.5-3.0 MPa，确保浆液充分渗透结构面。实测资料表明，该方法可使建筑物的变形速度由每月 3.2 毫米降低到每月0.5 毫米。针对缓倾斜构造面（65°-38°），在其表面设置长 32mm 、长 12 米、上拔450 kN、挂网喷射混凝土（厚 150mm 、C25）。本项目针对断裂带 （2-3m. ，含角砾岩层），创新性地提出“钢管桩+注浆”组合处理方法，先制备一根壁厚 10mm. 、长 18m 的钢管桩，然后通过钻孔（间距 1 m）进行高压注浆（压力 1.8 MPa，浆液水灰比 0.6），将断裂带岩石强度参量 C 由 85～320 kPa 提高到 18^～28^∘ °。实际应用结果显示，根据围岩特性进行分区补强，在保证安全度35%的前提下，可节约造价 23%^[4] 。

（二）水文地质条件调控与排水系统的优化

矿区边坡的水环境控制，其关键是构建多级立体的防排水管网。一座大型铁矿石矿山的实际应用证明，通过15 米*15 米的横向排水格栅（孔径 110 毫米，孔深 30 米），再加上坡顶部的排水沟（截面大小 1.5 米 ×1.2 米）以及坡脚的集水井（直径 3 米、深度 8 米），可以将边坡内的地下水降低 12-15m，稳定性系数提高 0.3-0.4。在此基础上，要将热传导系数 ⩾0.025V/ （m. K）的聚氨酯保温材料（50mm/（m. K）与电热伴热 （30W/m） ）相耦合，实现管道在-30° C 低温环境下的使用。在寒冷的山区，采用该项工艺后，其冻结变形降低了 82%^[5] 。

降低动态水压需要精确的排泄工艺。采用有限元分析方法，采用有限元分析方法，优选出一套适合于滑坡面的最大压力降井，间距为 5：5～12 米，间距为 8～12 米。采取"上层排水+下层回流"相结合的方式，布置 3 个 20 m 间距的减压井，并辅以自动监控（孔压测量精度为 ±0.5kPa; ），将滑底孔压由 150kPa 降低到小于 50kPa 。采用一种新型的智能化控制技术，实现一种新型的、具有自主知识产权的新型高效供水控制设备，该设备能够在不超过 5 分钟的情况下实现对排水泵的启动和关闭，在露天矿井中使用该设备后，排水泵的能耗下降了 35%。在特定地质情况下，利用透水性砼（透水性1×10^-2 cm/s）等新的排水性物质代替常规的砂砾性反滤层，使过流能力提高 40% 。针对深部承压水难题，研制了一种新型的径向放射井（副井口径为 2 米，放射孔长为 50～80 米），可在 150 米范围内产生一种可达 150 米的减压漏斗，在一座金属矿山上采用该方法，可使 200 米深度下的水位下降 60米（如表1 所示）。

表 1 矿区水环境控制成效表：

（三）应力释放与转移的工程控制方法

高应力区定向放压爆破是解决深埋矿井边坡稳定性问题的重要措施，也是目前国内外研究热点之一。按照GB16423-2020 《金属非金属矿山安全规程》的规定，在竖向压力大于 25MPa 、横向应力比值高于 1.5 的情况下，需要进行相应的调整。通过对一座铜矿山实例的分析，证明了利用 110mm 孔径，3 m 间距的扇形卸压孔，再结合间距装药（ （8^～12kg） ），可以将围岩的应力集中程度减小40%以上。在实际工程中，首先需要进行 3～5 米的地应力测试，查明最大主应力的方位，并将其布置成 15-30角，距可能破裂表面 3～5 米。中国理工大学研制的微地震监控系统表明，采用该方法可使矿山冲击地振动频率从月平均 5.8 次下降到0.7 次，冲击地震动频率降低了82%。

这种压力调节式支撑是通过对围岩的应力进行动态变化来达到对围岩的稳定性的控制。在某矿山工程中，当锚杆按 2.5 米 x2.5 米布置时，在 2000 kN 的作用下，边坡的应力集中系数由 2.8 降低到1.5。该工艺为：在边坡上挖 1 米*1 米长的沟槽，埋入 HRB500HRB500 级钢筋；接着浇筑 C30 砼结构梁；最终采用三级张拉的方法对预应力锚索进行预应力加固。实测资料表明，采用这种新型支护方式，可以将坡体的变形速度从每天 4.3 毫米降低到每天0.8 毫米。在冲击地压高危岩体中，采用了一种新的高能量吸能结构（屈服极限 350 kN，可实现 300mm 的大变形）和泡沫铝吸能部件（密度 0.8g/cm³ ，压缩强度 15 MPa， ），有效地抵抗了多个岩爆灾害。在施工过程中，应注意：能量吸收部件与周围岩石之间的距离应控制在 50～80 毫米之间，螺栓的预紧力应达到设计要求的 80%～90% 。在进行压力调节项目的时候，要进行全程监控。以某黄金矿山为例，利用 FBG （测量精度为 ±1με ）和微地震（0.5米）相结合的方法，可精确把握其调控效应。沿斜坡方向，沿斜坡方向，每隔 20m 设一条观测剖面，各剖面 3 层，各测点分布于潜在滑体的上部、中部及下部（如表2 所示）。根据现场实测资料的反馈，对卸荷钻孔的布设及支护载荷进行了动态调节，将围岩的应力调节精度提升了 35%^[6] 。

表 2 压力调节项目监控数据表

（四）特殊地质条件综合治理方案

根据中国地震局《岩溶矿区治理规范》的规定，对 3 m 以上的喀斯特地区应采取“勘探—填塞—穿越”的工艺路线进行处理。以一铝矾土为例，应用 C30 微型膨胀砼（压力大于 2MPa， ），进行了28 d强度 25 MPa 的灌浆，使地表沉陷得到了较好的抑制。其主要步骤为：利用 100MHz 的 3 DGPR （10米 x10^α 米）对岩溶洞穴进行精细定位；其次在洞穴底 2 米处打一个孔，孔直径不少于150 毫米；在此基础上，采用分层灌浆法，即首先进行水泥浆-水玻璃双液浆作为封底，然后采用粉煤灰混凝土作为主要的支护材料。针对该地区的软岩工程，提出了“预应力锚杆+格栅+喷浆”联合支护方案，观测资料表明，该工程开挖后的蠕变速度从 0.15mm/ 天降低到 0.02mm/ 天。主要研究内容为：锚碇的预紧量为设计荷载 110%，锚碇结构的锚固距离为围岩松散层 1.5 倍，喷射混凝土的厚度不低于 100mm 。在对该矿区进行了“土工格栅+植物修复”的现场试验研究，结果显示，在该矿区内，植有深层植物的植物，其地表抗冲蚀性能可提高 5 倍以上。在施工过程中，首先对边坡进行修坡（坡度≥45 度），然后在 100mm 高的双向拉拔式土工格栅，然后用 80 mm 厚的人工客土进行喷播，绿化树种选用紫穗槐等抗旱树种，使其成活率达到 90%。

三、结束语

综上所述，开展矿山地质条件对边坡稳定的作用机理研究，对于确保矿山安全生产和提高资源回收率，有着十分重大的现实意义。随着采深的加大及地质情况的日益复杂，边坡的稳定问题也将日益凸显。深入开展多学科的综合研究，开发出具有自主知识产权的智能监控与预警方法，构建更为完备的边坡稳定评估指标，为矿井的安全、高效生产奠定基础。

参考文献

[1]陈喆.矿山开采地质边坡失稳性原理及治理措施[J].世界有色金属，2021，（12）：41-42.

[2]韩伶俐.矿山地质环境保护与恢复治理技术研究[J].黑龙江环境通报，2025，38（05）：103-105.

[3] 雷 鹏 博 ， 李 权 ， 杨 强 ， 等 . 煤 炭 矿 山 生 态 地 质 环 境 风 险 评 价 研 究 [J]. 西 北 水电，2025，（02）：18-24+32.

[4]张全伟.露天矿山开采环境治理技术措施[J].世界有色金属，2025，（05）：148-150.

[5]王昊.矿山开采引发地质灾害及防治对策[J].中国金属通报，2025，（02）：52-54.

[6]王钰涵.矿山地质灾害防治策略及地质环境保护[J].现代盐化工，2025，52（01）：117-119.

作者简介：王龙（1990-08）男，汉族，江西九江人，高级工程师，研究方向：金属非金属矿山。